)I:10.39694.issn.1009—847X.2017.07.010 国 再生制动基本原理 基于回收能量最大化的 再生制动系统分析 李古月 李军 (1)再生系统结构 再生系统由再生制动系统和机械制动系 统组成,具体结构如下页图1所示121。机械制 动系统在原有基础上增设了踏板位移传感器、 液压控制模块 再生制动系统包括驱动轴电 动机和储能装置。 (2)再生制动原理 具有再生功能的纯电动车,在减速或者 制动工况下.电机能够提供部分或者全部的 制动力,在确保车辆制动安全性的同时能够 回收部分能量储存在能量电池中.对于减少 制动能量的损失,增加车辆续航里程有明显 的作用。当电动汽车减速或者制动时,电机 提供一个反向转矩给驱动轮,此时电机处于 发电状态,将部分动能转化为电能储存在储 能装置中,从而达到再生利用的目的。本文 选取前驱电动汽车为对象来施加受力分析, 如下页图2所示㈣ 汽车在运行过程中,牵引力Ft满足: Ft:Fl+F,+Fr卜F (1) 再生系统介入制动发电时,任意时刻总功率: rr rr E_-f F +F +F +ll旦+ 垦1V 、 r r (2) 引直………………………一 纯电动汽车通过驱动电机,可以实现 生制动功能.回收传统汽车在制动过程中 制动功率: PI (F I+F )V (3) 再生制动功率: P =F V (4) 是的部分能量_】I。再生制动系统是电动汽 拘重要组成部分,其减少了制动过程中能 jl勺损失,改善了电动汽车的能量使用率, 且优化了经济性,增加了续航里程。本文 :屯电动汽车再生制动系统为目标对象,在 角了其原理和制动工况基础上,分析对能 上式(1)一(4)中:F。为滚动阻力(N)、 F加速阻力(N)、F|坡道阻力(N)、F 为空气 阻力(N)、F 为前轴地面制动力(N)、Fxl ̄2为 后轴地面制动力(N)、Tf。为前轴滚动阻力偶 矩(N・M)、 为后轴滚动阻力偶矩(N・M)、 r为车轮半径(M)、V为车速(m/s)、F 为再 I]收的影响原因和控制策略。 关键词 生制动力(N)。 基金项目:重庆市自然科学基金重点项目(CSTC2013yykfB0184)。重庆市重点实验室项目(csct2015yfpt—zdsys30001。cstc2015yf-  ̄dsys3000) 汽车工业研究・月刊2017年第7期 统汽车而 ,在减速和滑行等巾轻度刹车工况 中,电动机以及轮毅处于无功率输出时间,而 这两部分时间的比例占额为一般电动车行驶路 况的44%,所以一般电动车在行驶的过程中, 5 大约有40%的时问,电动机以及轮毅处于无功 率输}}J状态,这部分能量被浪费掉了 。 (3)下长坡时制动 6 汽车长缓坡行驶或制动时。其行驶速度 并不高,制动力需求不高,可完全南电刹车 完成制动,最大程度地实现长下坡制动能量 回收 1.电机与驱动器2.回路5.位移传感器——一3.制动主缸储液室6.电池4.液压控制单元 7.ABS 8.真空泵 ——————…——一————. √^\I——————一…、、 .... .......... ........。...... ......,.. . .. .. ..... .. .., .,.. . ................ .一 国 能量回收最大化影响因素 反映能量回收的原因很多。其中主要影 响因素有蓄电池组状态、制动力比例分配、 制动工况分析 驱动的形式、电机的特性、行驶工况、控制 策略等 。 (1)紧急制动 (1)蓄电池组的状态 为了保证电池的正常使用,需要充分关 注电池的状态。当蓄电池荷电状态或者温度 超过规定值,为了保护蓄电池组,均不宜进 行制动能量回收,否则会损伤蓄电池寿命并 且有可能引发安全问题。另外,充电电流或 当汽车处于紧急制动状况下,基于安全 方面的因素,该T况应完=牟=为机械刹车,整 个过程不存 制动能鲢凹收。 (2)中轻度制动 中轻度制动中的减速过程由电刹车完成, 停止过程由机械刹车负责。通过电机发电特 功率过大会造成电池组温度随之快速升高, 此时也不能进行制动能量回收。 性来切换两种刹车。从图3可以看出,对于传 汽车工业研究・月刊2017g第7期57 (2)制动力分配比例 再生制动能量回收的实现依靠驱动电机 施加的再生制动力来实现电机的反转从而回 收损失的能量。那么对于实现回收能量最大 化而言,电机反转提供的制动力占需求制动 力的比例十分关键。在确保制动安全性的基 础下,再生制动力占比越高,更容易实现能 量回收最大化。 (3)驱动形式 Kv 汽车驱动形式有前轮驱动、后轮驱动、 四轮驱动三种形式。驱动电机产生的再生制 动力只能作用于驱动轮,因此只能回收驱动 轮上的制动能量。因此,与前驱、后驱相比, 四轮驱动电动车能回收更多的能量。 (4)电机特性 八 能够回收的能量也就不同,在城市道路工况 下,特别是上下班高峰期,需要频繁制动. 电动机是影响制动能量回收的重要因素 之一。在电机工作时,满足电机的输出外特 性:电机转速在基速以下时输出恒定转矩, 功率与转速呈比例关系;电机转速在基速以 上时,随转速增加输出转矩不断减小,功率 输出保持恒定.如图4所示。 制动的频率较高但强度不高,因而回收能量 相对较多;若在高速公路工况下,不需要频 繁的制动,因而制动能量回收相对较少。 (6)控制策略 在保证制动安全的条件下,最合理的分 配传统摩擦制动力和再生制动力的比例。最 大程度的实现能量回收。一方面,必须控制 (5) 代入车速系数,如图5所示,电机的再生 制动力矩为: T .K 驱动电机产生期望的再生制动力;另一方面, 式中T 。为电机的最大输出转矩(N・M)。 (5)行驶工况 应满足驾驶员给出的制动力命令。控制策略 的合理性决定了能量回收效率,因此控制策 略对于制动能量回收致为关键。 行驶工况的不同,汽车的制动强度不同, 再生制动策略控制分析 电机 转矩 在保证整车制动安全性的基础上,使能 电机 功率 量回收实现最大化。具体到实际工况,就是 使传统制动力与再生制动力达到合理匹配, 在保证制动稳定性的前提下考虑到制动力需 求、电机所能提供的最大功率以及能量储存 装置的充电等因素,并结合控制的难易 电机转速 程度及成本,制定电动机进行再生制动的方 法,同时控制策略应与ABS、ESP等系统相融 合,不影响其性能。 58汽车工业研究・月刊2017年第7期 (1)最大回馈功率制动 在制动过程中最大程度地回收能量为目的 但是此方式存在不足:需要控制电枢电 流,要按时获取汽车的阻力,因而加大控制 的不确定性,实现起来难度较大。 (3)恒定力矩制动 是最大回馈功率制动 的特点。该策略通过 对制动中电枢电流进行控制,充分增大能量 回收功率。该策略的充电电流和回收功率为: I-一丽E2,在制动过程中满足 ≤ .II,iI≤ l自勺 n 陪盖,x1=50% (6) 条件下保持电枢电流恒定被称为永磁直流电 机。此策略可以实现制动力矩和制动踏板开 度同步增大,这与不同踏板开度对应不同制 由上式可得,该策略使回馈能量的最大 效率可达到50%。 最大回馈功率制动多用于电力机车,因 为这种类型的车辆可以直接从交流电网得到 电能.回收的电能可以直接回馈电网。此控 制策略也可以用于电动自行车和电动l-轮等 功率较小的场合,因为这些电动机功率较小 且电枢电阻较大,因而不会产生过大的电枢 电流和充电电流,但有如下缺点: ①采用这种制动方式时,南于电枢电阻 小,因而即使在电动机转速很低时,也会产 生过大的电枢电流和蓄电池充电电流。 动力矩的传统汽车液压制动系统相比.满足 车速线性下降的规律,也符合驾驶员操作特 性。所以此策略具有一定的优越性。为了保 证蓄电池的安全,要求蓄电池的充电电流不 可以大于其规定值,这就了所采用的恒 定电枢电流的大小.而且在踏板开度一定的 情况下,随电机转速的下降,虽然电枢电流 保持恒定,但充电电流持续减小。因此,该 策略不能有效地回收能量。 (4)恒定充电电流制动 为了避免充电电流过大,文献提出了恒 定电流制动方式,以蓄电池充电电流为被控 ②当纯电动汽车采用最大回馈功率方式 制动时,电动机转速出现以指数倍速度下降 的情况,这不太符合驾驶员的驾驶习惯。所 以,将最大回馈功率制动应用于电动车,必 须处理好过大充电电流的安全问题,以及由 制对象,在车辆制动工况下,控制系统维持 蓄电池充电电流不变,兼顾能量回收与系统 保护,是更为实用的控制策略。但是在车辆 处于制动状态下,电枢电流会持续增大,因 而会出现超过其规定值的情况。所以必须对 充电电流的大小进行。当制动踏板开度 此造成的对电源系统寿命的影响。 (2)最大回馈效率制动 最大回馈效率制动是以制动过程中回馈 效率最大为目的,回收的能量最多,但制动 距离最长,该过程中,车速按照抛物线规律 下降。 整车回馈效率为: = 与充电电流同步时,在同一踏板开度下,随 着车速减少,车辆将获得逐渐增加的制动力, 给驾驶员带来操作上的不习惯。 结语 取d√cLⅡ=0,得到该策略下的电机电枢电 流表达式: 本文在介绍电动汽车再生制动系统的结 构及分类的基础上.分析了电动汽车再生制 I IR “一 盟 KR 里 (8) 动的影响因素和控制策略。针对几种不同的 控制策略,对其特点进行总结。恒定回馈功 率制动策略回的回馈能量的最大效率可达到 50%。但蓄电池组的充电电流和电枢电流会超 式中,Tv为电动机负载转矩(N・M),K 为反电动势系数,【0为电动机转速(m/s),R 为电动机等效内阻(n)。 汽车工业研究・月刊2017年第7期59 A lvS。 过限值,安全性相对较差。最大回馈效率制 动控制策略其M收能量可以实现最大化.但 【5】谭元文,刘溧.电动汽车再生制动系统的 结构及控制策略研究l_J].北京汽车,2007,05 (5):l5一l8. 由于控制复杂,系统协制难度大,实用 性差l1. 定力矩制动控制策略通过对电枢电 流的恒定控制,能实现制动力矩和踏板开度 同步增大,具有一定的优越性,但是其不可 【6】刘志强,过学迅.纯电动汽车电液复合再 生制动控制[J】.中南大学学报(自然科学版), 201l,42(9):2 687 ̄2 691. 持续有效的回收能量。而恒定电流制动控制 策略兼顾能量同收与系统保护,是一种更实 用的控制策略。 (责任编辑石 荣) 【7】叶永贞.电动汽车制动能量回收系统研究 [D】.青岛:青岛理工大学,2013. 【81王雪.混合动力再生制动能量回收控制策 略的研究[D].长春:吉林大学.2014. 【9】惠登峰.纯电动汽车再生制动控制策略研 参考文献 【1】Ehasani M Gao Yi—min,Buher K I .Application of elect rically peaking hybrid(El PH)propulsion 究[J].汽车使用技术,2016,5 f5):136~l39. 【l0】叶敏,郭金.电动汽车再生制动及其控制 技术【M】.北京:人民交通出版社,2013. system to a full size【 .Vehicular Technology.IEEE 1999,48(2);I 779 ̄1 787. 【2】王猛,孙泽昌,卓桂荣.电动汽车制动能 量回收系统研究[J].农业机械学报,2012,43 (2):6-10. 【3]王猛,孙泽昌,卓桂荣.电动汽车制动能 量回收最大化影响因素分析[J].同济大学学报 (自然科学版),2Ol2,40 f4):583~588. (4J曾正策.混合动力公交车制动系统研究 【D】.武汉:武汉理工大学,2004. 重要启事:即日起,请各位 读者速到当地邮局办理20 1 7年 《汽车工业研究》杂志(邮发代 号:1 2—147)订阅事宜,本刊概 不办理邮订业务。敬请谅解! 60汽车工业研究・月刊2017年第7期